REPÚBLICA DE UNIÓN EUROPEAREPÚBLICA DE NICARAGUA

UNIÓN EUROPEAMinisterio de Fomento Industria y Comercio

Programa de Apoyo a la Mejora del Clima de Negocios e Inversiones en Nicaragua

DCI-ALA/2007-019-011

Documento Taller de Capacitación

Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales para el Sector LácteoSector Lácteo

Impartido por el Centro de Producción más Limpia de Nicaragua

La presente publicación ha sido elaborada con la asistencia de la Unión Europea. El contenido de la misma es responsabilidad exclusiva del Centro de Producción más Limpia de Nicaragua y en ningún caso debe considerarse que

refleje los puntos de vista de la Unión Europea.

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INTRODUCCIÓN

El agua es uno de los recursos naturales más fundamentales, y junto con el aire, la tierra y la energía constituye los cuatro recursos básicos en que se apoya el desarrollo. La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo. Hasta finales del siglo XIX no se reconoció el agua como origen de numerosas enfermedades infecciosas. Hoy en día, la importancia tanto de la cantidad como de la calidad del agua esta fuera de toda duda. El agua es uno de los compuestos más abundantes de la naturaleza y cubre aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. Sin embargo, en contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la disponibilidad de agua para uso humano. Mas del 97% del agua total del planeta se encuentra en los océanos y otras masas salinas, y no están disponibles para casi ningún propósito. Del 3% restante, por encima del 2% se encuentra en estado sólido, hielo, resultando prácticamente inaccesible. Por tanto, podemos terminar diciendo que para el hombre y sus actividades industriales y agrícolas, sólo resta un 0,62 % que se encuentra en lagos, ríos y agua subterráneas. La cantidad de agua disponible es ciertamente escasa, aunque mayor problema es aún su distribución irregular en el planeta. El uso de los recursos naturales provoca un efecto sobre los ecosistemas de donde se extraen y en los ecosistemas en donde se utilizan. El caso del agua es uno de los ejemplos más claros: un mayor suministro de agua significa una mayor carga de aguas residuales. Si se entiende por desarrollo sostenible aquel que permita compatibilizar el uso de los recursos con la conservación de los ecosistemas. Hay que considerar también que el hombre influye sobre el ciclo del agua de dos formas distintas, bien directamente mediante extracción de las mismas y posterior vertido de aguas contaminadas como se ha dicho, o bien indirectamente alterando la vegetación y la calidad de las aguas.

Nuestro mundo por muchos años ha sido descuidado y maltratado por nosotros los seres humanos. La industrialización y el modernismo son algunos factores que ayudan a la contaminación de nuestro ambiente.

I. GENERALIDADES

1.1 Clasificación de Agua Residual Según su Origen

Antes de hablar de los tratamiento de las aguas residuales debemos conocer un poco de los tipos de aguas residuales que existen, los tipos de contaminantes, la clasificación de los contaminantes, la contaminantes habituales en las aguas residuales, las consecuencias que acarrean los

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vertidos, los métodos analíticos para el control de la calidad del agua para poder así familiarizarnos con los diferentes tratamientos. Las cuatro fuentes de aguas residuales son:

1. Aguas domesticas o urbanas Son los vertidos que se generan en los núcleos de población urbana como consecuencia de las actividades propias de éstos. Los aportes que generan esta agua son:

Aguas negras o fecales Aguas de lavado doméstico

Las aguas residuales urbanas presentan una cierta homogeneidad cuanto a composición y carga contaminante, ya que sus aportes van a ser siempre los mismos. Pero esta homogeneidad tiene unos márgenes muy amplios, ya que las características de cada vertido urbano van a depender del núcleo de población en el que se genere, influyendo parámetros tales como el número de habitantes, la existencia de industrias dentro del núcleo, tipo de industria, etc

La cantidad de agua residual domestica normalmente se expresa en litros per capita por día (L/cap.díia) y se asume como fracción (70-85%) del consume especifico de agua que oscila entre 60 y 350 L/cap día. El caudal de agua residual domestica que entra al sistema de alcantarillado puede variar considerablemente durante el día.

Figura 1. Fluctuación del caudal de agua residual domestica durante el día

2. Aguas pluviales.

Estas aguas provienen del sistema de drenaje de calles y avenidas, producto de lluvias o lixiviados (a menudo se les ve como parte de aguas domésticas). En los

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 5 10 15 20 25

Tiempo, horas

Caud

al, %

del

pro

med

io

Area pequeña Area mediana Area grande

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países desarrollados esta agua nunca entra a las plantas de tratamiento de agua residual. En el caso de que el alcantarillado sea combinado, el agua de lluvia entra al alcantarillado y causa problemas a las plantas de tratamiento por lo que provoca picos en el caudal de entrada hasta 3-5 veces el caudal normal del tiempo seco. Estos picos perturban el funcionamiento normal de la planta. Por esta razón, los sistemas de alcantarillado separado se hacen cada vez mas atractivos:

- el costo total de inversi6n y de mantenimiento de una planta de tratamiento aumenta con el aumento de la capacidad de diseño.

- el funcionamiento de las plantas de tratamiento se ve mas afectado por los picos hidráulicos y de carga orgánica durante la temporada de lluvias.

El agua pluvial urbana a menudo esta contaminada con emisiones de transito como grasas, hidrocarburos y metales pesados, en el área rural, con pesticidas, fertilizantes y estiércol.

3. Aguas residuales industriales Son aquellas que proceden de cualquier actividad o negocio en cuyo proceso de producción, transformación o manipulación se utilice el agua. Son enormemente variables en cuanto a caudal y composición, difiriendo las características de los vertidos, no sólo de una industria a otro, sino también dentro de un mismo tipo de industria.

A veces, las industrias no emite vertidos de forma continua, si no únicamente en determinadas horas del día o incluso únicamente en determinadas épocas de año, dependiendo del tipo de producción y del proceso industrial. También son habituales las variaciones de caudal y carga a lo largo del día.

Estas son más contaminadas que las aguas residuales urbanas, además, con una contaminación mucho más difícil de eliminar.

Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo preciso un estudio específico para cada caso.

4. Aguas de usos agrícolas

Aunque la mayor parte de las aguas servidas (cerca del 90%) provienen del uso domestico e industrial , la de usos agrícolas y pluviales urbanas están adquiriendo cada día mayor importancia, debido a que los escurrimientos de fertilizantes (fosfatos) y pesticidas representan los principales causantes del envejecimiento de lagos y pantanos proceso llamado eutrofización.

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1.2. Clasificación de los Contaminantes

Las sustancias contaminantes que pueden aparecer en un agua residual son muchas y diversas. Los contaminantes del agua se clasifican en tres categorías:

1.2.1 Contaminantes químicos. Estos componen tanto productos químicos orgánicos como inorgánicos. El aspecto fundamental de la contaminación de productos orgánicos es la disminución del oxigeno como resultante de la utilización del existente en el proceso de degradación biológica, llevando con ello a un desajuste y a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de compuestos inorgánicos el resultado más importante es su posible efecto tóxico, mas que una disminución de oxigeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los compuestos inorgánicos presentan una demanda de oxigeno, contribuyendo a la disminución del mismo.

Contaminantes Orgánicos: Son compuestos cuya estructura química está compuesta fundamentalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Son los contaminantes mayoritarios en vertidos urbanos y vertidos generados en la industria agroalimentaria.

Los compuestos orgánicos que pueden aparecer en las aguas residuales son:

a) Proteínas: Proceden fundamentalmente de excretas humanas o de desechos de productos alimentarios. Son biodegradables, bastante inestables y responsables de malos olores. Son portadores de nitrógeno y fósforo.

b) Carbohidratos: Incluimos en este grupo azúcares, almidones y fibras celulósicas. Proceden, al igual que las proteínas, de excretas y desperdicios.

c) Aceites y Grasas: Son todas aquellas sustancias de naturaleza lipídica, que al ser inmiscibles con el agua, van a permanecer en la superficie dando lugar a la aparición de natas y espumas. Estas natas y espumas entorpecen cualquier tipo de tratamiento físico o químico, por lo que deben eliminarse en los primeros pasos del tratamiento de un agua residual. Son altamente estables, proceden de desperdicios alimentarios en su mayoría, a excepción de los aceites minerales que proceden de otras actividades.

d) Otros específicos: Incluiremos varios tipos de compuestos, como los tensoactivos, fenoles, organoclorados y organofosforados, etc. Su origen es muy variable y presentan elevada toxicidad.

Contaminantes Inorgánicos: Son de origen mineral y de naturaleza variada: sales, óxidos, ácidos y bases inorgánicas, metales pesados, etc.

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Aparecen en cualquier tipo de agua residual, aunque son más abundantes en los vertidos generados por la industria.

Los componentes inorgánicos de las aguas residuales estarán en función del material contaminante así como de la propia naturaleza de la fuente contaminante. Un ejemplo clásico de contaminante inorgánico es arena. Entendemos como tales, a una serie de particular de tamaño apreciable y que en las masas de agua cuando están en movimiento, o bien forman depósitos de lodos si encuentran condiciones adecuadas para sedimentar.

1.2.2 Contaminantes Físicos

Incluyen:

• Cambios térmicos, la temperatura es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas, velocidades de reacción y en la aplicabilidad del agua a usos útiles, como el caso de las aguas provenientes de las plantas industriales, relativamente calientes después de ser usadas en intercambiadores.

• El color el cual determina cualitativamente el tiempo de las aguas residuales, es por ello que si el agua es reciente esta suele ser gris; sin embargo como quiera los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias, el oxigeno disuelto en el agua residual se reduce a cero y el color cambia a negro.

• La turbidez originada por los sólidos en suspensión. • Espumas y la radioactividad

1.2.3 Contaminantes Biológicos Son organismos que pueden ir en mayor o menor cantidad en las aguas residuales y que son capaces de producir o transmitir enfermedades (el cólera y la tifoidea).

1.2.4 Composición de Agua Residual

Por lo general los contaminantes del agua residual domestica constituyen una mezcla muy compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos que prácticamente es imposible obtener un análisis completo de cada uno de los componentes presentes. Sin embargo, para diseñar y operar una planta de tratamiento es suficiente conocer algunos parámetros básicos para caracterizar el estado de agua cruda a tratar.

Es por esto que las aguas residuales dependiendo de la cantidad de estos componentes, se clasifica en fuerte, media y débil. Debido a que la concentración como la composición va variando con el transcurso de tiempo, con los datos siguientes solo se pretende dar una orientación para la clasificación de las aguas servidas.

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Tabla 1. Concentración de diferentes contaminantes en el agua residual (mg/l) Constituyente Fuerte Media Débil

Sólidos, en total

Disueltos, en total

Suspendidos, en total

1200

850

350

700

500

250

350

250

100

Demanda Bioquímica de Oxigeno

300 200 100

Nitrógeno

Amoniaco Libre

Fósforo

Alcalinidad

Grasa

85

50

20

200

150

40

25

10

100

100

20

12

6

50

50

1.3 Consecuencias en Medio Ambiente Provocado por los Vertidos 1.3.1 Aparición de fangos y flotantes Existen en las aguas residuales sólidos en suspensión de gran tamaño que cuando llegan a los cauces naturales pueden dar lugar a la aparición de sedimentos de fango (lodo) en el fondo de dichos cauces, alterando seriamente la vida acuática a este nivel, ya que dificultará la transmisión de gases y nutrientes hacia los organismos que viven en el fondo.

Por otra parte, ciertos sólidos, dadas sus características, pueden acumularse en las orillas formando capas de flotantes que resultan desagradables a la vista y además, pueden acumular otro tipo de contaminantes que pueden llevar a efectos más graves. 1.3.2 Agotamiento del contenido de oxígeno Los organismos acuáticos precisan del oxígeno disuelto en el agua para poder vivir. Cuando se vierten en las masas de agua, residuos que se oxidan fácilmente, bien por vía químico o por vía biológica, se producirá la oxidación con el consiguiente consumo de oxígeno en el medio.

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Si el consumo de oxígeno es excesivo, se alcanzarán niveles por debajo del necesario para que se desarrolle la vida acuática, dándose una muerte masiva de seres vivos.

Además, se desprenden malos olores como consecuencia de la aparición de procesos bioquímicos anaerobios, que dan lugar a la formación de compuestos volátiles y gases. 1.3.3 Daño a la salud pública

Los vertidos de efluentes residuales a cauces públicos, pueden fomentar la propagación de virus y bacterias patógenos para el hombre. 1.3.4 Eutroficación Un aporte elevado de nitrógeno y fósforo en los sistemas acuáticos propicia un desarrollo masivo de los consumidores primarios de estos nutrientes; zoo y fitoplancton y plantas superiores. Estas poblaciones acaban superando la capacidad del ecosistema acuático, pudiendo llegar a desaparecer la masa de agua. 1.3.5 Otros efectos

Pueden ser muy variados y van a ser consecuencia de contaminantes muy específicos, como valores de pH por encima o por debajo de los límites tolerables, presencia de tóxicos que afecta directamente a los seres vivos, etc.

En la tabla 2 está presentado un resumen de lo anterior

Tabla 2. Principales contaminantes del agua residual municipal y su impacto

Contaminante Impacto que ocasiona en el Medio Ambiente Sólidos Suspendidos Llevan a deposici6n de lodos lo que provoca condiciones Compuestos orgánicos biodegradables

Ejercen demanda del oxigeno lo que crea condiciones anaerobias y provoca malos olores

Patógenos Las enfermedades infecciosas pueden transmitirse por medio de los patógenos en el agua residual. Este factor es especialmente importante cuando el agua residual tratada se pretende usar en agricultura para el riego.

Nutrientes Nitrógeno y fósforo son nutrientes esenciales para la vida acuática. La presencia de estos provoco un excesivo crecimiento de algas lo que conlleva a reducci6n de la biodiversidad acuática, disminución de la concentración del oxigeno y problemas tóxicos.

Compuestos orgánicos refractarios

Estos compuestos resisten al tratamiento convencional. Ejemplo típico de estos es: detergentes, fenoles y pesticidas.

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Metales pesados Tiene importancia cuando el agua residual o lodos están en mira de reuso

Inorgánicos disueltos Los sólidos disueltos tienen relevante importancia cuando el agua residual es usada en la agricultura. La producci6n de granos, de proteína en acuacultura (pescado, plantas acuáticas) puede

1.4 Necesidad del Tratamiento de Aguas Usadas

Tradicionalmente las excretas humanas formaban las aguas negras y se depositaban en sistemas sanitarios tipo letrinas o tanques sépticos (sistema en el sitio). La parte sólida se acumulaba en el misino tanque y posteriormente se biodegradaba de manera natural. La parte liquida de las deposiciones se infiltraban en subsuelo o se descargaban a los canales (abiertos o cerrados) del drenaje de agua de lluvia.

Sin embargo, con la urbanización y el crecimiento de la población se incrementó el consumo del agua {en litres por capita por día) de tal manera que supera la capacidad de infiltración local del sucio. En las áreas de alta densidad de población las alcaldías se ven obligadas recolectar y transportar todos los flujos de agua residual por medio de sistemas de alcantarillado separados o combinados hacia las plantas de tratamiento. En Europa la cobertura del alcantarillado convencional difiere de país a país: 50% en Grecia, mas de 98 % en Holanda. En Estados Unidos la cobertura es menor por la existencia de muchas comunidades de baja densidad poblacional.

Últimamente, se ha incrementado un gran interés por prevenir o minimizar la contaminación del agua tanto del uso domestico como industrial.

El principal objetivo del tratamiento de agua residual es protección del Medio Ambiente de:

1) alto contenido de sólidos suspendidos 2) alta carga de materia orgánica y consecuentemente bajo nivel de oxigeno 3) alto contenido de nutrientes (como N y P) que provocan eutroficación 4} carga de las sustancias peligrosas no-biodegradables 4) contaminación de (micro)-organismos patógenos

Con el fin de:

1) establecer y mantener saludable el medio acuático para la flora y fauna 2) garantizar a la humanidad el uso de recurso acuático para

diferentes propósitos

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3) (abastecimiento de agua, recreación, pesca, navegación, irrigación etc.) 4) prevenir las enfermedades que se transmiten por agua.

El Gobierno de Nicaragua en conjunto con el Ministerio de Medio Ambiente en 1995 estableció las normas para los efluentes que provienen de las industrias y son descargadas en los receptores naturales de agua. Ahora la palabra la tienen los ingenieros sanitarios, civiles y ambientalistas en general para encontrar las soluciones más viables en materia de tratamiento de estas aguas.

1.5 Métodos Analíticos para el Control de la Calidad del Agua 1.5.1 Color, olor y sabor

La coloración de un agua puede clasificarse en verdadera o real cuando se debe sólo a las sustancias que tiene en solución, y aparente cuando su color es debido a las sustancias que tiene en suspensión. Los colores real y aparente son casi idénticos en el agua clara y en aguas de escasa turbidez.

La coloración de un agua se compara con la de soluciones de referencia de platino-cobalto en tubos colorimétricos, o bien con discos de vidrio coloreados calibrados según los patrones mencionados.

El olor puede ser definido como el conjunto de sensaciones percibidas por el olfato al captar ciertas sustancias volátiles. El procedimiento normalmente utilizado es el de ir diluyendo el agua e examinar hasta que o presente ningún olor perceptible. El resultado se da como un número que expresa el límite de percepción del olor, y corresponde a la dilución que da olor perceptible. Debido al carácter subjetivo de la medida, es recomendable que la medida la realicen al menos dos personas distintas, comparando la percepción con la de un agua desodorizada. Debe evitarse, como es lógico, en todo lo posible, la presencia de otros olores en el ambiente.

Por último, la evaluación del sabor, se realiza por degustación del agua a examinar, comenzando por grandes diluciones, que se van disminuyendo hasta la aparición del sabor. Este ensayo no se realiza mas que en aguas potables.

1.5. 2 Turbidez

La turbidez de un agua se debe a la presencia de materias en suspensión. Finamente divididas; arcillas, limos, partículas de sílice, materias inorgánicas. La determinación de la turbidez tienen un gran interés como parámetro de control en aguas contaminadas y residuales. Se puede evaluar en el campo o en el laboratorio.

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1.5.3 Materia sólida La materia sólida presente en un agua suele agruparse en tres

categorías. La clasificación se basa en diferente tamaño de las partículas, y según éste pueden ser divididos en disueltos, coloidales o suspendidos.

La materia decantable se determina dejando en reposo un litro de agua en un cono o probeta graduada. El resultado se expresa como mililitros de materia decantada por litro de agua.

La determinación de las materias en suspensión en el agua puede realizarse por filtración o por centrifugación. La filtración se realiza a vacío sobre un filtro. El filtro con el residuo es nuevamente secado y pesado. La diferencia entre este peso y el que teníamos antes del filtro solo, proporciona el valor de los sólidos. 1.5.4 pH

Las medidas de PH se realizan con un electrodo de vidrio, el cual genera un potencial que varía linealmente con el PH de la solución en la que está inmerso. El electrodo consiste en una célula con un potencial controlado por la actividad del protón a cada lado de una membrana de vidrio muy fina.

Este método se utiliza si se quiere obtener medidas muy precisas y puede aplicarse a cualquier caso particular.

1.5.5 Dureza

También llamada grado hidrotimétrico, la dureza corresponde a la suma de las concentraciones de cationes metálicos excepto los metales alcalinos y el ion hidrógeno En la mayoría de los casos se debe principalmente a la presencia de iones calcio y magnesio, y algunas veces también se unen hierro, aluminio, manganeso y estroncio.

1.5.6 Acidez y Alcalinidad

La acidez de un agua corresponde a la presencia de anhídrido carbónico libre, ácidos minerales y sales de ácidos fuertes y bases débiles.

La alcalinidad de un agua corresponde a la presencia de los bicarbonatos, carbonatos de hidróxidos.

La depuración de las aguas residuales es un proceso que persigue eliminar en la mayor cantidad posible la contaminación que lleva un vertido antes de que éste incida sobre un cauce receptor, de forma que los niveles de contaminación que queden en el efluente ya tratado puedan ser asimilados de forma natural.

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1.6 El Grado de Purificación de Agua Residual

Técnicamente, aguas residuales municipales pueden ser purificadas hasta el punto de convertirse en agua potable cumpliendo con todos los parámetros estándares para la misma. Sin embargo, el costo del tratamiento crece exponencialmente con el grado de remoción de los contaminantes.

Los procesos de tratamiento del agua residual según el grado de remoción de contaminantes que se puede lograr se clasifican en los siguientes:

Tratamiento primario (o preliminar) consiste en remoción física del material (basura) flotante y suspendida del agua residual cruda.

Tratamiento secundario incluye procesos biológicos para remover materia orgánica. Esta comprobado que !os procesos físico-químicos de tratamiento para reducir BOD tienen baja eficiencia y elevados costos, además a menudo presentan dificultades operacionales.

Tratamiento terciario (o avanzado) intenta eliminar los contaminantes que no han sido removidos en el tratamiento primario ni secundario. Este se refiere a procesos dirigidos a remoción de N y P de alto grado, así como una profunda remoción de sólidos suspendidos y materia orgánica, desinfección y eliminación de micro contaminantes no-biodegradables.

Figura 2. Relación de costos de tratamiento de agua residual en dependencia de la calidad del efluente

Remoción, % DBO TSS TN TF

Preliminar Primario

Secundario

Terciario

30 60 15 15

50 -70 80-90 25 75

>95 >95 >80 >90

90-95 90-95 40 90

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Existen varios procesos y operaciones unitarias para llevar a cabo los métodos de tratamiento mencionados arriba. La selecci6n de la tecnología mas apropiada depende de las condiciones locales como disponibilidad de personal calificado, equipamiento, abastecimiento energético confiable, disponibilidad del terreno y sobre todo los fondos suficientes.

La Tabla 3 presenta un resumen de las tecnologías mas comunes para el tratamiento de agua residual domestica:

Tabla 3. Clasificación de los procesos de tratamiento de agua residual en

primario, secundario y terciario Tratamiento primario Tratamiento secundario Tratamiento terciario

Calidad minima Calidad media Alta calidad Cribado Lodos activados Remocion biologica de

nutrientes Remoción de arenisca Aireaci6n extendida Filtraci6n Sedimentación Lagunas aeróbicas Precipitación química Flotación Lagunas de estabilizaci6n Adsorción Separación de aceites Filtro percolador Intercambio iónico

Discos rotatorios Electrodiálisis Métodos anaerobios Desinfección

1.7 Selección de la Tecnología para el Tratamiento de Agua Residual

¿Como y en que condiciones una comunidad toma la decisión de tratar sus aguas residuales?

Existen dos maneras para llegar a esta decisión:

1. La comunidad toma la conciencia de la necesidad de tratar las aguas residuales cuando atraviesa series problemas de la salud publica ocasionados por la extrema contaminaci6n ambiental.

2. Presionados por las regulaciones del Gobierno.

Para enfrentar la tarea de tratar las aguas residuales la comunidad necesita contar con los científicos para asentar las normas de calidad de agua tratada, con los ingenieros para encontrar la soluci6n mas viable de tratamiento y diseñar la planta, y por ultimo se necesitan los técnicos para operar la planta.

En los piases como el nuestro, de escasos recursos pero abundante no-calificada (y por lo tanto muy barata) mano de obra, las soluciones de

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tratamiento deben dirigirse hacia tecnologías menos mecanizadas, con el menor nivel de automatización de los procesos de control, de tal manera que para la construcción, operación, mantenimiento y reparación se aprovecha el recurso humano nacional y no se importen mecanismos y tecnologías sofisticadas.

Cabe mencionar, que en vista que la demanda del agua potable crece de día a día al nivel mundial, es necesario agotar todas las posibilidades de dar un segundo uso al agua servida, después del tratamiento esta puede ser utilizada en la agricultura, en acuicultura o para recarga de agua subterránea.

El objetivo operacional de las plantas de tratamiento es alcanzar dichas normas de calidad de agua que se descarga a los receptores naturales.

Figura 3. Selección de la tecnología de tratamiento apropiada

II. MÉTODOS DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

Los métodos de tratamiento en los que predominan la aplicación de principios físicos se conoce como Tratamiento Primario. Los métodos de tratamiento en los que la eliminación de contaminantes se efectúa por actividad química o biológica es conocido como Tratamiento Secundario. Recientemente el Tratamiento Terciario o Avanzado se ha aplicado a las operaciones o procesos utilizados para eliminar contaminantes que no se han visto afectados por los tratamientos antes mencionados.

SELECCIÓN DE LA

TECNOLOGÍA

Recreación Eutroficación Transporte Ecología Re-uso

OR

IGEN

DEL

AG

UA

RES

IDU

AL

Patógenos Demanda de O2 Nutrientes (N y P) Sólidos sedimentables Microcontaminantes

Tecn

olog

ía d

el tr

atam

ient

o

Primario Secundario Terciario Tratamiento físico-químico Tratamiento natural

OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO ⇔ NORMAS DE CALIDAD

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2.1 Tratamiento Primario

El tratamiento primario del agua residual domestica se refiere a procesos mecánicos para remover basura flotable y sólidos suspendidos en orden de preparar el caudal para ser tratado en las operaciones subsiguientes. Es por eso que el tratamiento primario a veces llaman tratamiento mecánico y este incluye: cribado, desarenado y sedimentaci6n primaria.

2.1.1 Cribado

Las Cribas y rejillas sirven para eliminar partículas contaminantes gruesas (como papeles, bolsas plásticas y otras basuras flotantes) para evitar daños en las bombas, aireadotes y vertederos.

Según el tamaño de las partículas que retienen (lo que determina la distancia entre las barras de una criba) las cribas se puede clasificar en finas, medianas y gruesas. Las cribas finas pueden lograr un nivel muy alto de remoción de sólidos pero tienen problema de un frecuente atascamiento. Las cribas gruesas usan en pre-cribado para proteger y asegurar el buen funcionamiento de la criba fina que lo sigue.

En términos de operación, las cribas pueden ser divididas en manuales y mecánicas.

Las barras de las cribas manuales tienen un grosor de 10 mm y están inclinadas entre 30-40°. De esta manera se aumenta el área de la sección por donde pasa el flujo del agua entre las barras lo que facilita la remoci6n (limpieza) manual del cribado. El ancho del canal de flujo de agua hacia la criba no puede ser mas de 0.5 m y la profundidad no mas de 1.5 m para facilitar el trabajo manual de limpieza. Las cribas mecánicas tienen inclinaci6n de 45 a 80° respecto al horizonte, la profundidad del canal siempre es más grande en comparaci6n a la criba manual. Los sistemas con el cribado mecánico proporcionan mejores condiciones de la limpieza, esta es mas confiable y mas frecuente (es regular). El cribado mecánico es mas eficiente, lo que se demuestra por mayores cantidades del material desechado capturado en el agua residual. El régimen de operación de una criba mecánica puede ser: 1) encendido - apagado manual, 2) instalación de un timer-control (por ejemplo limpieza cada 5 minutos), o 3) interruptor electrónico según el nivel del agua.

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Figura 4. Criba manual (a) y mecánica (b)

2.1.2 Desarenado

La remoción de arenisca de las aguas residuales en las primeras etapas del tratamiento es necesaria por varias razones:

1. Prevenir el desgaste y rayado de los equipos mecánicos como bombas, aireadores

2. Reducir la formaci6n de las deposiciones de material arenoso y consecuentemente atascamiento en las unidades de operación subsiguientes y tubos de transporte.

3. Evitar la acumulaci6n de los s61idos incites en el lodo primario que perjudicara el funcionamiento del reactor de lodos.

El objetivo del desarenado es remover las pesadas partículas de arena (arenisca) con el diámetro mayor de 0.2 mm. Al mismo tiempo, las partículas de materia orgánica (de bajo peso) tienen que permanecer en la suspensión para ser tratadas en las subsiguientes etapas. Eso puede ser logrado por medio de:

- manteniendo la velocidad horizontal del flujo de agua vH, a 0.3 m/s. - creando condiciones de turbulencia (hidráulicamente, mecánicamente o por

aireación) lo que previene la sedimentación de las partículas orgánicas.

- proporcionando suficiente tiempo para que las partículas de arenisca se sedimenten con una velocidad de precipitación vs.

Para las partículas de la arenisca con la velocidad de sedimentación vs (m/h) el tiempo requerido para alcanzar el fondo del desarenador con la profundidad D es:

t = D/vs

a)

b)

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El tiempo de retención hidráulica en el desarenador es igual a éste t:

t = D.vs = V/Q vs = Q/L.W = Q/A

donde Q es la máximo caudal, m/h L, W, D son el largo, ancho y alto de la unidad del sistema de

desarenador A es el área de la superficie de la unidad del sistema

desarenador

De esta ecuación se puede ver que la velocidad de sedimentación vs es igual a Q/A, o sea que la profundidad del desarenador no afecta la eficiencia de la remoción de arenisca sino el área del sistema. Por esta razón, vs generalmente es llamada "carga superficial". Normalmente vs es igual a 30-40 m3/m2 h, esta velocidad asegura que todas las partículas de arenisca del Ø >0.2 mm precipite según la ley de Newton.

Para llevar a cabo el proceso de desarenación se utilizan diferentes estructuras y mecanismos.

A) Canales abiertos son las estructuras simples en el diseño y operación y se utilizan como desarenadores en las pequeñas plantas de tratamiento. El desarenador rectangular tiene la velocidad horizontal

VH = Q/W D <0.30m/s

y la velocidad de precipitación vs < 40m/h (0.011 m/s). Utilizando los valores típicos para VH y vs (indicados arriba), el largo de un desarenador rectangular se puede calcular como:

L - (vH/vs) D = 0.3/0.011 D = 27.3 D.

Los desarenadores rectangulares tienen muchos problemas de operación con los caudales en fluctuación, ya que esta afecta directamente VH y vs. El efecto de fluctuaciones en el caudal se trata de evitar o minimizar de muchas maneras. Una de las opciones es instalando un sistema multicanal, el cual consiste en la conexión paralela de varios canales que se pueden activar en horas pico en dependencia de la demanda según el caudal.

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Figura 5. Perfil de un drenaje con by-pass

Figura 6. Plano de un desarenador de dos canales abiertos Otra opción para mantener vH, y v, constante en el marco de los limites es crear un desarenador con la forma parabólica de perfil. En este caso cuando aumenta el caudal aumenta el área superficial y v, se amortigua contra mayores fluctuaciones. Para mantener constante la VH, en el final de los canales parabólicos acostumbran ubicar vertederos, mecanismos que permitan controlar la velocidad.

Para reducir la frecuencia de la limpieza de un desarenador a 1-2 veces por semana, en la parte inferior del mismo se provee una pila de almacenamiento de arenisca. Normalmente, la pila de almacenamiento se hace de 0.2-0.3 m de profundidad para recolectar el material inerte durante varios días de operación continua. El proceso de remoción puede ser manual o mecánico, el último es más caro pero más practico cuando se trata de una planta de tratamiento grande.

En la operación de un desarenador el "lavado de arenisca" es una practica común Este proceso asegura que a cierta velocidad del caudal las partículas orgánicas son re-suspendidas mientras del fondo del desarenador, mientras la arenisca permanece sedimentada. Este procedimiento reduce la cantidad del material recolectado, reduce su impacto medioambiental, sirve para prevenir la formaci6n de malos olores.

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La velocidad horizontal del flujo de agua para asegurar la resuspensión de las partículas orgánicas debe ser mas de 0.1 m/s. Para el diseño de los desarenadores el valor de VH que se utiliza con mayor frecuencia es de 0.3 m/s.

B) Desarenador de aeración. Además de los canales abiertos, para remover arenisca se utilizan otros tipos de sistemas como desarenador aireado con el flujo helicoidal. El flujo helicoidal esta creado por un difusor de aire instalado en el sistema. Las partículas orgánicas se mantienen en la solución mientras que las pesadas partículas de arena y arenisca precipitan en el fondo.

Normalmente el tiempo mínimo de retenci6n de 3-4 minutos y el flujo del aire 0.5-1.0 m3 aire/m3 de volumen del desarenador por hora es suficiente para la separación de las partículas.

Figura 7. Desarenador de flujo helicoidal en cámara de aire

Este sistema del desarenador se recomienda utilizar en plantas de tratamiento grandes. La ventaja de desarenación aireada es el "refrescamiento" de las aguas residuales lo que permite reducir las posibilidades de formación de olores durante la siguiente etapa de tratamiento: sedimentaci6n primaria.

2.1.3 Sedimentación primaria

El proceso de sedimentación primaria tiene por objetivo remover la materia orgánica suspendida de las aguas residuales a tratar y de esta manera reducir la carga contaminante para la siguiente etapa: tratamiento biológico. En la sedimentación primaria la eficiencia de la remoci6n de los sólidos orgánicos suspendidos depende de los siguientes factores:

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- velocidad de la sedimentación (la carga superficial), vs - tiempo de retención hidráulica, t - concentraci6n de los TSS en el caudal

Normalmente para el agua residual domestica la vs debe ser en el rango de 1-2.5m/h, mientras que el tiempo de retención puede oscilar entre 1-2 horas. Como puede ser observado en la Figura 8, la remoción de BOD y TSS son fuertemente afectados por el grado de contaminación del agua residual.

Figura 8. Remoción de BOD y TSS en por ciento como función del tiempo de retención

El grado de remoción se puede aumentar hasta 65-85% utilizando la coagulación química y floculación. Al mismo tiempo esto permite reducir el contenido de fósforos. Cabe mencionar que este grado de remoci6n solo se puede mantener en las condiciones cuando el caudal de entrada al tanque sedimentador es estable. En la práctica, el viento, cambio de temperaturas del aire, densidad del flujo del agua a tratar reducen la eficiencia de remoción de BOD y de los sólidos suspendidos (TSS).

El viento provoca la circulación del agua

Tiempo, horas

Rem

oció

n, %

21

Surge el gradiente de temperatura

c) flujos de mayor densidad

Figura 9. Las condiciones no-ideales en la circulaci6n de un tanque de precipitación

2.1.3.1 Tipos de tanques para sedimentación primaria

Los tanques de sedimentaci6n pueden ser clasificados en:

• tanques rectangulares y circulares con el fondo piano • tanques de los flujos verticales y horizontales • tanques sedimentadores tipo Imhoff

La mayoría de los tanques tienen el fondo piano y utilizan el flujo horizontal de agua residual, son muy confiables en operación y proporcionan alta remoción de TSS. Esos tanques necesitan un mecanismo para recolectar y evacuar el lodo que se forma en el fondo.

• Para los tanques rectangulares generalmente, la relaciona L: B es de 4-6 y L: D es de por lo menos 12, aunque nunca el largo máximo de un tanque es de 60 metros. La relación L: D de 25: 1 asegura un flujo estable y como consecuencia, alta eficiencia de la remoción de sólidos. El tiempo de retención es de 1.5 a 2.0 horas.

Las ventajas de un tanque sedimentador rectangular son las siguientes:

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- relativamente baja demanda del terreno - alta estabilidad del flujo - posibilidad de construir series de tanques utilizando las paredes comunes.

• Hablando de los tanques circulares, son muy susceptibles a las perturbaciones de las corrientes del viento y cambio de temperatura. A la hora de construir varios tanques los elementos de uno no se puede usar para el otro (como las paredes comunes de los tanques rectangulares) y eso encarece la obra, además que se requiere mas área para construcción. El alto de la pared del tanque circular normalmente es de 2-3 m, solo en el caso de que el nivel de las aguas subterráneos sea muy alto, la altura del tanque no accede a 1.5-2 m. La pendiente del fondo del tanque en la parte de sedimentaci6n es de 8-10%, mientras que en la parte de la deposición de lodo es de 60°. El diámetro de los tanques circulares llega hasta 20m.

• Los tanques tipo Imhof tienen doble función: sedimentaci6n del material suspendido y digestión de las partículas sedimentadas. Esto se debe a que el tanque Imhoff posee dos compartimientos, en el compartimiento superior se da la sedimentaci6n y acumulación de lodos, mientras que en la parte inferior tiene lugar el proceso de digesti6n y almacenamiento de lodo. Los tanques Imhoff fueron desarrollados en Alemania para simplificar el diseño de una planta de tratamiento (en un equipo se dan dos operaciones). La decisión de la construcción de un Imhoff en lugar de un tratamiento tradicional donde la sedimentación se realiza separado de la digesti6n, se hace en dependencia de las condiciones locales como: costo del terreno, estabilidad del suelo, nivel del agua subterránea, capacidad de planta de tratamiento, temperatura del ambiente. Los tanques Imhoff en ocasiones llegan hasta más de 10 metros de altura debido a que poseen 2 compartimientos. Estos no necesitan ningún mecanismo para remover el lodo que se acumula se el fondo del primer compartimiento ya que la pendiente que llevan las paredes es de 60° y eso facilita que lodo escurre por su propio peso a la secci6n de deposito de donde se evacua después de un tiempo prudente de digesti6n. En

Figura 10. Perfil de un tanque de sedimentación primaria

23

la actualidad los tanques tipo Imhoff casi no se construyen por las dificultades que presenta su construcci6n en las áreas donde el suelo no es suficientemente estable o el nivel freático es alto.

Figura 11. Perfil del tanque Imhoff con tres compartimientos

2.1.3.2 Flotación

Si el proceso de sedimentación no es efectivo para un cierto tipo de agua residual, para eliminar la materia suspendida se puede implementar el método de flotación. El método de flotación consiste en lo siguiente: las burbujas de agua liberadas bajo presión en la parte inferior del tanque de flotación suben arrastrando a la superficie los sólidos suspendidos en forma de torta que puede ser eliminada con un mecanismo de escarbador especial. Normalmente este tipo de remoción primaria de sólidos suspendidos se utiliza para las aguas residuales de los procesos de producción de celulosa y papel ya que el proceso de flotación es muy efectivo para recuperaci6n de los materiales fibrosos antes de desechar el agua al alcantarillado. Otra ventaja que tiene esta operación unitaria es que la unidad es muy compacta. El método de flotación, con diferentes dispositivos también se utiliza para remover las grasas y aceites en el tratamiento preliminar. 2.2 Tratamiento Secundario (Tratamientos Biológicos)

Los materiales inorgánicos como la arcilla, sedimentos y otros residuos se pueden eliminar por métodos mecánicos y químicos; sin embrago, si el material que debe ser eliminado es de naturaleza orgánica, el tratamiento implica usualmente actividades de microorganismos que oxidan y convierten la materia orgánica en CO2, es por esto que nos tratamientos de las aguas de desecho son procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles cruciales.

El tratamiento de las aguas residuales da como resultado la eliminación de

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microorganismos patógenos, evitando así que estos microorganismos lleguen a ríos o a otras fuentes de abastecimiento. Específicamente el tratamiento biológico de las aguas residuales es considerado un tratamiento secundario ya que este esta ligado íntimamente a dos procesos microbiológicos, los cuales pueden ser aerobios y anaerobios.

El tratamiento secundario de las aguas residuales comprende una serie de reacciones complejas de digestión y fermentación efectuadas por un huésped de diferentes especies bacterianas, el resultado neto es la conversión de materiales orgánicos en CO2 y gas metano, este ultimo se puede separar y quemar como una fuente de energía. Debido a que ambos productos finales son volátiles, el efluente líquido ha disminuido notablemente su contenido en sustancias orgánicas. La eficiencia de un proceso de tratamiento se expresa en términos de porcentaje de disminución de la DBO inicial.

A. Procesos Aeróbicos

En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales se incrementa fuertemente el aporte de oxigeno por riego de superficies sólidas, por agitación o agitación y aireación sumergida simultaneas. El crecimiento de los microorganismos y su actividad para degradar crecen proporcionalmente a la tasa de aireación. Las sustancias orgánicas e inorgánicas acompañantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flóculos que, con una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro de unos milímetros dividiéndose o hundiéndose después. La formación de flóculos se ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por las microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 – 50% de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 – 60% de las mismas se degrada.

La acción depuradora de los microorganismos en un proceso se mide por el porcentaje de disminución de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dicha disminución depende de la capacidad de aireación del proceso, del tipo de residuos y de la carga de contaminantes de las aguas residuales y se expresa asi mismo en unidades de DBO. El numero de bacterias de los fangos activados asciende a muchos miles de millones por ml, entre ellas aparece regularmente la bacteria mucilaginosa Zooglea ramigera, que forma grandes colonias con numerosas células encerradas en una gruesa cubierta mucilaginosa común, las células individuales libres se mueven con ayuda de flagelos polares. Entre las bacterias de los flóculos predominan las representantes de géneros con metabolismo aerobio-oxidativo como Zooglea, Pseudomonas, Alcalígenas, Arthrobacter, Corynebacterium, Acinetobacter, Micrococcus y Flavobacterium. Pero también se presentan bacterias anaerobias facultativas, que son

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fermentativas en ausencia de sustratos oxigenados, de los generos Aeromonas, Enterobacter, Escherichia, Streptococcus y distintas especies de Bacillus. Todas las bacterias contribuyen con las cápsulas de mucílago y con las microfibrillas al crecimiento colonial y a la formación de los flóculos.

En las aguas residuales con una composición heterogénea, la microflora se reparte equitativamente entre muchos grupos bacterianos. En la selección de bacterias y en la circulación y formación de flóculos juegan un importante papel los numerosos protozoos existentes, la mayoría de ellos ciliados coloniales y pedunculados de los géneros Vorticela, Epystilis y Carchesium, aunque también puedan nadar libremente como los Colpidium que aparecen a la par de ellos, alimentándose de las bacterias de vida libre que se encuentran tanto sobre la superficie como fuera de las colonias. Su función es esencial en la consecución de unas aguas claras y bien depuradas. La salida de los fangos activados sintéticos libres de ciliados se ve contaminada y enturbiada por la presencia de bacterias aisladas. Se realiza una inoculación de ciliados que crecen rápidamente, favoreciendo con su actividad depredadora el crecimiento y la circulación de las bacterias de los fangos, con lo que posibilitan un efluente mas limpio. Además en los fangos activados aparecen regularmente hongod edaficos y levaduras, siendo las mas frecuentes las especies de Geotrichum, Trichosporum, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Candida y Cephalosporium. Tras la depuración biológica, las aguas residuales contienen compuestos orgánicos, fosfatos y nitratos disueltos que solo se degradaran ya lentamente. Los nitratos se forman por oxidación del amonio desprendido en la degradación de compuestos orgánicos nitrogenados. Esta es una tarea de las bacterias Nitrificantes, uno de cuyos grupos esta reprensado en las aguas residuales principalmente por Nitrosomonas y Nitrosospira, que únicamente llevan a cabo la reacción de oxidación del amonio a nitrito para obtener energía metabólica, mientras que un segundo grupo de bacterias, que aparece siempre junto al ya citado y que esta reprensado por Nitrobacter, oxida el nitrito a nitrato y obtiene energía gracias exclusivamente a este proceso:

Oxidación del amonio:

a. NH4 + ½ O2 → NH2OH + H b. NH2OH + O2 + 2ADP + 2PO4 → HNO2 + H2O + 2 ATP

Oxidación del nitrito:

NO2- + ½ O2 + ADP + PO4 → NO3

- + ATP

Otros microorganismos que también intervienen en el tratamiento aerobio de aguas residuales son: Citrobacter, Serratia, mohos y levaduras que actúan mas de componentes acompañantes que de degradantes y algunas algas como Anabaena que convierte los poliuretanos en H2; Chrorella los alginatos los

26

convierte en glicolato; Dulaniella los alginatos en glicerol; Nostoc el agar el H2; Algas como el Volvox, Tabellaria, Anacistis y Anabaena; las algas que obstruyen los filtros son Anacistis, Chorella, Anabaena y Tabellaria.

2.2.1 Filtros percoladores

Los filtros percoladores usualmente son de forma circular y consiste en un lecho del medio altamente permeable rodeado por una pared. Como material de medio puede servir roca quebrada, piedras volcánicas e incluso material plástico. El agua residual pre-sedimentada se vierte uniformemente sobre el lecho del filtro co la ayuda de los distribuidores rotativos. El agua atraviesa toda la altura del material permeable hasta llegar al fondo perforado donde es recolectada.

Figura 12. Esquema de un filtro percolador

Los filtros percoladores fueron desarrollados en Inglaterra a finales del siglo 19. Este tipo de tratamiento llegó a sustituir el método de purificación de agua donde el flujo de agua usada se regaba sobre el suelo y se le permitía infiltrar de manera natural. La gran desventaja de este procedimiento erala alta área especifica del terreno requerida para tratar las aguas (20-40 m2/EP). Para reducir el área de tierra necesaria para el tratamiento comenzaron a utilizar los filtros de arena de 0.5 a 1 m de altura. Dos al día el filtro se cargaba con el agua a tratar, de esta manera la demanda del área se bajo hasta 2-4 m2/EP.

Mas tarde, para evitar problemas del atascamiento del filtro, arena fue sustituida por otros materiales filtrantes (material de relleno) de mayor tamaño de medio (de 6 a 8 cm). El aumentar el tamaño de medio trajo otro beneficio: mejor aireación y menor tiempo de retención lo permitía condensar el diseño del filtro y por lo tanto reducir los costos de diseño. Hoy en día los filtros percoladores se utilizan ampliamente en Europa, en algunos países de Centroamérica (Salvador). Los nuevos, altamente porosos materiales de relleno permiten reducir requerimiento de área hasta 0.1-0.2m2/EP, sin embargo su popularidad esta decreciendo debido a que las normas de calidad para el agua tratada en Europa cada día se hacen mas estrictos y los filtros percoladores no la garantizan.

27

Tabla 4. Ventajas y desventajas de un filtro percolador

Ventajas Desventajas Baja demanda de energía eléctrica No garantiza alta calidad del efluente

(BOD<10) Baja la producción de los lodos Baja remoción de N y P (no cumple con

las normas europeas) Simple en operación El proceso poco flexible, difícil de Bajos costos de mantenimiento Existe un potencial riesgo de creación

de fuente para mosquitos, malos olores, atascamiento

Bajo costo de inversión Su funcionamiento es seriamente afectado por la temperatura

Lodos son fácilmente deshidratados

2.2.1.1 Procesos que se desarrollan dentro del filtro percolador

A medida que el filtro percolador esta funcionando la superficie del material de relleno se cubre de una película formada por los microorganismos que se adhieren al medio. El agua residual entra en contacto con esta película y materia orgánica biodegradable se oxida. El proceso de absorción y biodegradación causa el constante incremento del grosor de la película que finalmente puede provocar limitaciones de difusión del substrato y/u oxigeno y reduce el crecimiento de las bacterias. Cuando los microorganismos no tienen suficiente "alimentación" (BOD) y oxigeno su actividad se reduce según la ley de Monod.

Como consecuencia de las limitaciones del oxigeno se inician los procesos anaerobios. Los microorganismos anaerobios comienzan la producción de gases (CH4, N2) !os cuales provocan parcial destrucción de la película microbiana (despegándola del medio poroso), ocasionando la reducci6n de la eficiencia de purificaci6n, además surge formación de desagradables olores y posible atascamiento del filtro dificultando su operación.

En condiciones normales de operación de filtro debe existir control sobre el aumento del grosor de la capa microbiana. Eso se logra por medio de regulación del régimen de la carga superficial que se proporciona al filtro. El fenómeno de la perdida de una parte de la capa microbiana se llama "lavado" del filtro. Mientras mas alta es la carga orgánica del agua a tratar en el filtro, más rápido es el crecimiento de biomasa. Como consecuencia, tiene que ser incrementada la carga superficial para aumentar las fuerzas de fricci6n con el objetivo de "lavar" el exceso de la película microbiana y prevenir el atascamiento del filtro. Bajo las condiciones estables de la operación del filtro la cantidad de biomasa que se forma tiene que ser igual a la cantidad de biomasa que se "lava" del filtro.

Basados en la carga superficial, existen dos tipos de filtros percoladores.

28

• Los filtros de baja carga superficial. Este tipo de filtros no emplea la recirculación, operan con las aguas de bajas cargas orgánicas, la carga hidráulica oscila entre 0.05-0.3 m/h.

• Los filtros de alta carga superficial. Este tipo de filtros necesita la recirculación del efluente, operan con las aguas residuales de alias cargas orgánicas, requieren de alias cargas superficiales para evitar el atascamiento de los filtros. La carga hidráulica típica para estos filtros es de 0.6-2.0 m/h.

La carga volumétrica (1), la carga superficial (2) y la hidráulica (3) son tres principales parámetros de diseño de los filtros percoladores, por lo tanto es importante detallar estos términos.

1. Carga volumetrica, Lv:

Lv = (Q m3/dia (BOD mg/l) 10-3) /Vfiltro m3 (kg/m3día)

Carga de materia orgánica (kg de BOD/día) = F

2 Carga superficial (u orgánica) del filtro, OSLR:

OSLR = F kg BOD/dia / (1 000 • Abiofilm m2) ( g/m2 .dia)

3. Carga hidráulica, HSLR

HSLR = (Q afiuente+ Q reciciado m3/día) / Aiiter .24 horas (m/h)

2.2.1.2 Diseño de filtros percoladores

La mayoría de las ecuaciones para el diseño de los filtros percoladores se basa en la evaluación estadística del funcionamiento práctico de los filtros.

En Estados Unidos, después de analizar los datos operacionales y de funcionamiento de muchos filtros percoladores, el Consejo Nacional de Investigación (NRC) llego a la siguiente relación entre la eficiencia de remoción de BOD y carga volumétrica:

29

FDAfLa

E

⋅⋅+

=1

100 (1)

Donde

E - eficiencia de remoción de BOD L - carga de BOD, kg/ dia Af- Área del filtro, m2 D - Profundidad del filtro, m a - factor característico del filtro que depende de la temperatura, del nivel de contaminación del agua a tratar y del tipo de material filtrante (Aespecífica de piedra volcánica es igual a 50-60 m2/m3). F - factor que se introduce cuando el agua en filtro se recircula

2)1.01(1

RRF

++

= , donde R es el número de reciclajes (2)

Si R = 0 (no hay recirculación), F = 1 R=1, F=1.65 R =2, F = 2.08

Aumentando la recirculación del agua a tratar en el filtro percolador, la explosión del agua a la acción de la película biológica aumenta y, por lo tanto la eficiencia de remoción de la BOD aumenta. Sin embargo, remoción de BOD aumentara en una menor proporción que lo hace R debido a que:

1) Mientras mayor es R la carga superficial (OSLR) del filtro aumentara

y como consecuencia, el tiempo de retención de una "ronda" por el filtro se reducirá desminuyendo la eficiencia de la remoción

2) En la primera "ronda" por el filtro se degradará la materia orgánica fácilmente degradable, la materia que degrada con mas dificultad se queda en el agua, su cantidad va a crecer proporcionalmente a la recirculación, disminuyendo la velocidad de biodegradación y la eficiencia de remoción de BOD como consecuencia.

Tabla 5. Valores de "a" basados en las observaciones de funcionamiento de los filtros percoladores con las piedras volcánicas como material filtrante, Alemania (Hanisch, 1990) '

30

Temperatura del afluente

100 mg BOD/l 150 mg BOD/l

200 mg BOD/l

12°C 0.50 0.46 0.42 16°C 0.44 0.40 0.36 20°C 0.38 0.34 0.30

Para los filtros de baja carga superficial, donde R = 0 y F - 1 la ecuación de NRC puede simplificarse de la siguiente manera:

)1(100

LvaE

+=

, debido a que DAfLLv⋅

= (3)

Tabla 6. Eficiencia de remoción de BOD en los filtros percoladores asumiendo a=0.44, Aespec. = 60 m2/m3

Lv OSLR, Carga

superficial

Remoción de BOB según NRC, %

g/m3.d gBOD/m2.d R=0 R=l 100 1.5-2 88 90 300 5 31 84 750 12.5 72 77 1000 15 69 74

En las ecuaciones empíricas Schulze y Eckenfelder asumen que el proceso de degradación de BOD es de primer orden y el flujo es de tipo pistón y describen el tiempo de contacto entre agua residual y película bacteriana como:

nHSLRDat

)(= , donde (4)

t - tiempo de contacto en el filtro, h D - profundidad (altura) del filtro, m HSLR - carga superficial, m3/m2/d a - constante empírica n - constante del filtro (los valores se encuentran en el rango de 0.4 a 0.8)

Los valores a y n dependen mayormente del medio filtrante. Para los filtros percoladores convencionales, los valores de a se encuentran en el rango de 0.02-0.1, mientras que n se toma como 0.67. Esto confirma que el tiempo de contacto es entre 10-20 minutos y difícilmente excede 30 minutos.

31

En calidad de ejemplo, a continuación están presentados los datos utilizados para diseñar un filtro percolador para el tratamiento de agua residual municipal a temperatura 10-20°C.

Tabla 7. Datos de diseño y funcionamiento de un filtro percolador para tratamiento de agua residual municipal en condiciones climáticas moderadas

Características Tipo del filtro percolador Carga baja Carga alta Medio filtrante Piedra volcánica, Piedra volcánica, Piezas plásticas

piedra bolon piedra bolon Área especifica m2/m3 45-90 45-90 120-200 Carga hidráulica, m/h <0.3 <1,5 >2Carga de BOD, kg/m3.dia, 0.1-0.3 0.3-1.5 0.5-3.0 Profundidad del filtro, m 1-3 2-3 2-10 Recirculaci6n (cantidad de veces), R 0-1 1-4 1-4 Presencia de moscas si a veces noBOD en el efluente, mg/L <25 >30 >30 Remoción de BOD, % 80-90 50-70 65-80 Nitrificación,% 60-80 0-50 0-25 TSS en el efluente, mg/L <25 >30 30

2.2.1.3 Aspectos adicionales para el diseño de filtro percolador

Ventilación Los filtros percoladores no necesitan la aireaci6n artificial. El movimiento natural del aire a través del filtro crea suficiente ventilaci6n. La fuerza que mueve el aire en el filtro es la diferencia entre la temperatura del mismo y la del agua a tratar. Si la temperatura del agua residual es mas alta que la temperatura del ambiente (como se mas baja que la temperatura del ambiente (situación común de los países tropicales y en los países fríos a la época del verano); y la ventilación se da en la dirección de arriba para abajo.

La ecuación empírica que describe el movimiento natural del aire en el filtro

percolador es:

Aire que entra al filtro = 107 x [Tar - Taire - 2], m3aire/m2filtro.día (5)

Donde: Tar - temperatura del agua residual, K Taire - temperatura ambiente, K

32

La cantidad del oxigeno presente en 1m3 de aire en condiciones estándar (t=0°C y P = 1bar) es normalmente igual a 0.30 kg. Asumiendo que a la temperatura de 20°C el aire contiene ≈ 0.28 kg O2/m3; el oxigeno transferido puede ser encontrado por medio de la formula de arriba (Koot, 1980):

O2 transferido = 0.28.107[Tar-Taire - 2] = 30. [Tar -Taire - 2] (6)

La ventilación forzada (artificial) puede ser necesaria solamente en casos de tratamiento de agua industrial con extremada carga orgánica. La capacidad de diseño del sistema de ventilación por lo general se basa en 20 m3 de aire/m2.dia. En Europa la ventilación artificial en los filtros percoladores se implementa solamente cuando como medio filtrante se usa plástico con alta área especifica, cuando la carga volumétrica es alta y cuando la altura del filtro excede 5 m.

Medio filtrante

El material de relleno (medio filtrante) se caracteriza por el área especifica (mientras mayor es el área, mayor es la eficiencia de la remoción de BOD del filtro), así como por la porosidad (espacios vacíos entre las unidades del material). El área específica del material filtrante depende de la forma y la porosidad es determinada por la uniformidad en el tamaño de las partículas del lecho. De esa manera, las piedras volcánicas, grava, piedras bolón que poseen una forma irregular proporcionan un funcionamiento satisfactorio de los filtros percoladores. Las estructuras de matrices plásticos, desarrollados recientemente, para ser utilizados como material filtrante demuestran una alta eficiencia en la remoci6n de BOD incluso para el tratamiento de agua fuertemente contaminada.

Figura 13. Tipos de material de relleno en un filtro percolador

33

2.2.2 Lodos activados

Cerca de los 1880 en Inglaterra fue observado que la aireaci6n artificial de agua domestica reducía considerablemente los malos olores, además se producía una cantidad adicional de los sólidos suspendidos que parecía que participaban en e! proceso de biodegradaci6n. Este fenómeno llevó al desarrollo de los mas usados hoy en día sistemas de tratamiento de aguas residuales: sistemas de lodos activados en los cuales el agua residual es intensivamente mezclada con el oxigeno y microorganismos con el objetivo de acelerar el proceso de biodegradaci6n de materia orgánica con el propósito de purificar el agua usada antes de verter la en un receptor de agua natural.

Actualmente el sistema de lodos activados es la tecnología compacta más

aplicada en el mundo debido a su gran flexibilidad operacional y alto rendimiento en cuanto a eficiencia de remoción de los contaminantes se refiere. Un operador de la planta puede ajustar las condiciones del proceso de tal manera que la planta va a cultivar y acumular las poblaciones de los microorganismos que mejor degraden los contaminantes específicos.

El pase de burbujas de aire a través de las aguas de desecho coagula los

coloides y la grasa, satisface parte de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), y reduce un poco el nitrógeno amoniacal. La aireación también puede impedir que las aguas de desecho se vuelvan sépticas en uno de los tanques subsiguientes de sedimentación. Pero si las aguas de desecho se mezclan con lodo previamente aireado y luego se vuelve a airear, como se hace con los métodos de tratamiento de aguas de desecho utilizando lodo activado, la efectividad de la aireación se mejora mucho. La reducción de la DBO y sólidos en suspensión en el proceso convencional del lodo activado que incluye pre-decantación y sedimentación final, puede variar desde 80 a 95% y la reducción de las bacterias coliformes de 90 a 95%. Además, el costo de construcción de una planta de lodo activado puede ser competitivo con otros tipos de plantas de tratamiento que producen resultados comparables. Sin embargo, los costos unitarios de operación son relativamente altos.

El método del lodo activado es un tratamiento biológico secundario que

emplea la oxidación para descomponer y estabilizar la materia putrescible que queda después de los tratamientos primarios. Otros métodos de oxidación incluyen la filtración, estanques de oxidación, y la irrigación. Estos métodos de oxidación ponen a la materia orgánica de las aguas de desecho en contacto inmediato con microorganismos bajo condiciones aeróbicas.

En el reactor del lodo activado tienen lugar una serie de los procesos: 1. Asimilación y disimilación de la materia orgánica.

Como resultado de las investigaciones, se sabe que aproximadamente el 50% de la materia orgánica biodegradable (expresada como BOD) es disimilada para

34

producir energía. En otras palabras, se necesitan 0.5 kg de 02 por cada kg de BOD biodegradable. Energía producida vía asimilación se utiliza para la síntesis de biomasa. La demanda de oxigeno para el proceso de asimilación es menos de 10% de aquella que se requiere para la disimilación y por este motivo es casi siempre ignorada en los cálculos de consumo de oxigeno en las plantas de tratamiento.

Oxidación (disimilación): (COHN)x + O2 + Bacterias → CO2 + H2O +NH3 +Energía Síntesis (asimilación): (COHN)x + O2 + Bacterias+Energía → C5H7O2N (biomasa)

2. Autodigestión

Este tipo de respiración microbiana surge cuando la planta esta operando con los lodos de mayor edad. Una parte de biomasa se puede degradar y servir como substrato para el resto de los microorganismos activos. La parte positiva de este proceso es que la producción del lodo se reduce, pero a costa de extra demanda del oxigeno lo que encarece el proceso. 3. Nitrificación y desnitrificación

El proceso de nitrificación es realizado por medio de los microorganismos estrictamente aeróbicos, Nitrosomonas y Nitrobacter, que convierten ion amonio a nitratos por completo. La ecuación bioquímica simplificada de este proceso puede ser representada de la siguiente manera:

NH4+ + 3O2 + Notrosomonas → 2NO2

-+2H2O +4H+ + Energía

2NO2-+ O2 → 2NO3

- + Energía

Es evidente de la ecuación que el proceso de la nitrificación demanda una adicional y sustancial cantidad del oxigeno; se requiere aproximadamente 4.56 g de 02 para satisfacer la demanda de 1g N-NH4. Una segunda parte negativa de la nitrificación, es la liberación del ion de hidrogeno, cual puede afectar el pH y desestabilizar el proceso en el reactor. Se sabe que los microorganismos nitrificadores tienen muy bajo crecimiento específico comparando con los microorganismos heterotróficos, eso significa que ellos pueden actuar solamente si el lodo tiene edad suficiente para la acumulación de los nitrificadores.

El proceso de desnitrificación consiste en lo siguiente: En ausencia del oxigeno libre, muchos heterótrofos son capaces de utilizar nitratos como alternativa de aceptor de electrones. De esta manera los nitratos se reducen a los nitritos y después los nitritos al Nitrógeno molecular N2. Para facilitar el

35

proceso descrito arriba, además de las condiciones atóxicas debe haber una fuente del carbono biodegradable. Con metanol, como fuente de carbono, la reacción simplificada se puede expresar de la siguiente manera: 0.83 CH3OH + NO3

- → 0.5 N2 +0.83 CO2 +1.17 H2O +OH- En una planta convencional de lodo activado, las aguas de desecho que

entran pasan primero por un tanque de sedimentación primaria. Se añade lodo activado al efluente del tanque, generalmente en la relación de 1 parte de lodo por 3 o 4 partes de aguas negras decantadas, en volumen, y la mezcla pasa a un tanque de aireación. En el tanque, el aire atmosférico se mezcla por el líquido por agitación mecánica o se difunde aire comprimido dentro del fluido mediante diversos dispositivos; placas filtrantes, tubos de filtro, eyectores y chorros. Con cualquiera de los métodos, se pone a las aguas negras en íntimo contacto con los microorganismos contenidos en el lodo. En los primeros 15 a 45 minutos, el lodo absorbe los sólidos en suspensión y los coloides. Según se absorbe la materia orgánica, tiene lugar la oxidación biológica. Los organismos presentes en el lodo descomponen los compuestos de nitrógeno orgánico y destruyen los carbohidratos. El proceso avanza rápidamente al principio y luego decae gradualmente en las próximas 2 a 5 horas. Después continúa con un ritmo casi uniforme durante varias horas. En general el periodo de aireación dura de 6 a 8 horas más.

El efluente del tanque de aireación pasa a un tanque de sedimentación

secundaria, donde se retiene el fluido, en general de 1 1/2 a dos horas para decantar el lodo. El efluente de este tanque está completamente tratado, y después de la floración puede descargarse sin peligro.

Cerca de un 25 a 35% del lodo del tanque de sedimentación final se

regresa para la recirculación con las aguas negras de entrada. No debe retenerse el lodo en el tanque. Es necesaria la remoción parcial (a intervalos de menos de 1 hora) o la remoción continúa para evitar la desaireación.

Las cantidades de rebose para la sedimentación final van, normalmente,

desde unos 800 galones por pie cuadrado por día, para las plantas pequeñas, hasta 1 000 para plantas con capacidades mayores de 2 millones de galones por día. Es preferible que las cargas sobre el vertedero no excedan de 10 000 galones por pie lineal por día. Cuando el volumen requerido de tanque sobrepase los 2 500 pies, son convenientes tanques múltiples de sedimentación.

Se requieren tanques múltiples de aireación cuando el volumen total del

tanque excede los 5 000 pies cúbicos. Los tanques de aireación en que se use aire comprimido son, por lo general, largos y estrechos. Para conservar espacio, el canal puede hacerse girar varías veces 180°, con una pared común que separe el flujo en dirección opuesta. Se tiende en general, una tubería maestra de aire, a lo largo de la parte superior del tanque, para alimentar los difusores o

36

placas porosas a lo largo de toda su longitud. El aire establece un movimiento espiral dentro del líquido según fluye por los tanques. Esta agitación reduce los requisitos de aire. El ancho del canal va de los 15 a los 30 pies. La profundidad es de unos 15 pies.

El oxígeno disuelto debe mantenerse a una concentración de 2 partes por

millón (miligramos por litro) o más. Los requisitos de aire varían normalmente de 0.2 a 1.5 pies cúbicos por galón de aguas tratadas. La mayoría de las autoridades estatales requieren el uso de un mínimo de 1 000 pies cúbicos de aire por libra de la DBO aplicada por día.

La aireación mecánica puede efectuarse en tanques cuadrados,

rectangulares o circulares, según sea el mecanismo empleado para la agitación. En algunas plantas, el fluido puede hacerse subir por tubos verticales y descargarlo en láminas, mientras en la parte superior o el líquido puede hacerse bajar por tubos aspirantes, mientras el aire burbujea a través del fluido. En ambos métodos, la agitación en la superficie producida por el movimiento del líquido, aumenta la aireación. Los periodos de detención son, generalmente, más largos, 8 horas o más, que para los tanques con difusión de aire.

2.2.2.1 Parámetros de diseño para el reactor de lodos activados

La planta de tratamiento de lodos activados se puede diseñar con base en los siguientes parámetros:

1. Carga Volumétrica = Qafluentem3/día / V reactor m3 (día-1)

2. Tiempo de Retención = V reactor m3/ Q afluente m3/día (horas)

Generalmente, las plantas convencionales de lodos activados requieren de 5-14 horas tiempo de retención para garantizar la calidad del afluente (BOD<10 mg/l).

3. Carga Orgánica = Q m3/día. kg BOD /m3/Vreactor m3 (kg BOD /m3.día)

En las plantas convencionales de lodos activados la carga orgánica oscila entre 0.4 - 1.2 kg BOD/m3. día.

4. Relación F/M ó Carga de lodo

Carga de Lodo = (kg BOD /m3. Q m3/día)/ V m3 Biomasa kg/m3) (kg/kg/dia)

F M

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Relación F/M cs el parámetro mas importante que se utiliza a la hora de diseñar una planta de tratamiento de lodos activados. En primer lugar, porque es el único factor sobre cual el operador tiene un complete control, y en segundo lugar porque esta muy relacionado con la eficiencia de la remoción de los compuestos orgánicos en el tratamiento. Está definido como la carga diaria de BOD (F) que entra al área de aireación dividido sobre la cantidad de biomasa (M) presente en el tanque.

Para el buen funcionamiento de los reactores de lodos activados es muy importante contar con una eficiente aireación.

2.2.2.2 Tipos de aireación

Los sistemas de aireación que se emplean en las plantas de tratamiento de lodos activados básicamente se pueden dividir en 3 grupos:

1. Aireación por os difusi6n 2. Aireación mecánica o superficial 3. Aireación por inyección

La selección del sistema de aireación depende de muchos factores: La profundidad del tanque de aireaci6n, necesidad de un diseño de planta compacta, capacidad de la planta de tratamiento. En general, los sistemas mecánicos y de inyección se recomiendan para las plantas de pequeña capacidad, mientras que la aireación con difusores es aplicada en las plantas de mayor capacidad.

• En la aireación por difusión el aire (oxigeno) se pone en contacto con el agua por medio de las bombas de presión. El aire se libera en el seno del liquido en forma de burbujas de diferente tamaño. La eficiencia de la transferencia del oxigeno esta determinada por el tamaño de las burbujas, la cantidad del aire introducido y la profundidad a la que esta sumergido el difusor en el reactor. Los difusores tienen forma de platos, discos o tubos y se hacen de materiales muy porosos como cerámica especial, plástico flexible, membranas de resinas. Los difusores se ubican en el fondo de los reactores. La transferencia del oxigeno oscila entre 10-15 g O2/m3.

• Los aireadores mecánicos o superficiales airean y mezclan el agua por medio de platos rotatorios que están ligéramele sumergidos al agua. Existen dos tipos de aireadores mecánicos: con el cono rotatorio vertical y horizontal. Los más comunes son de los conos verticales. Los motores que se emplean para rotar los platos son de 1 a 120kW proporcionando una velocidad de 35-60 rpm. El diámetro del cono llega hasta 4 m. La eficiencia de la oxigenación en los tanques >5m llega a 1.5-3 kg O2/kWh.

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Los principales problemas en la operación de las plantas de lodo activado están relacionados con la inadecuada separación del lodo en el tanque de sedimentación secundaria. El problema cuando el lodo que se forma no es completamente granular sino disperso, poroso, liviano lo que dificulta su separación del licor clarificado. También el proceso de desnitrificación afecta negativamente la sedimentación del lodo ya que las burbujas del N2 se adhieren a los flóculos del lodo y lo hacen flotar.

Se usan diversas modificaciones para el método de lodo activado, para

mejorar el funcionamiento o disminuir los costos. Entre éstos se incluyen la aireación modificada, activada, en punta y por pasos o fases, entre otros.

La aireación modificada disminuye el periodo de aireación a tres horas o

menos, y mantienen el lodo retornado a una baja proporción. Los resultados son intermedios entre la sedimentación primaria y un tratamiento secundario completo.

En la aireación activada, los tanques de aireación se colocan en paralelo. El lodo activado, procedente de un tanque de sedimentación final o grupo de dichos tanques, se añade al afluente de los tanques de aireación. El resto del lodo se concentra y se quita. Los resultados son mejores que con la aireación modificada y con menos aire.

La aireación en punta difiere de la aireación normal en que los difusores de aire no están uniformemente espaciados. En su lugar, se colocan más difusores cerca del extremo de entrada de los tanques de aireación que cerca de la salida. La teoría pretende qué la demanda de oxígeno es mayor cerca de la entrada y, por tanto, la eficiencia del tratamiento debe mejorar si se suministra allí más aire. Sin embargo, los resultados dependen del grado de mezclado longitudinal, proporción del retorno de lodo y las características de la materia recirculada, por ejemplo, el contenido de aire del lodo o del licor mezclado.

En la aireación por pasos o fases se añaden las aguas negras en cuatro o más sitios del tanque de aireación. Cada incremento reacciona con el lodo que ya se encuentra en el tanque. Por consiguiente, los requisitos de aire casi son uniformes en todo el tanque. La aireación por mezcla completa obtiene mejores resultados dispersando el afluente del agua de desecho tan uniformemente como sea posible, a lo largo de la longitud total del tanque de aireación, de manera que se produzca una demanda uniforme de oxígeno a todo lo largo. La aireación extendida es similar, pero el agua de desecho se aérea por 24 h en vez de las 6 a 8 h convencionales.

B. Procesos Anaerobios

El tratamiento anaeróbico de las aguas residuales supone la descomposición de la materia orgánica y/o inorgánica en ausencia de oxigeno molecular. La mayor aplicación se halla en la digestión de los fangos de aguas residuales una vez concentrada, así como parte de residuos industriales.

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El modo mas usual de operar de una instalación de tratamiento anaeróbico de fango concentrado es la utilización de un reactor de mezcla completa y mínima recirculación celular cuyo objeto es el calentamiento contenido en el tanque. El tiempo de detención del líquido del reactor oscila entre los 10 y 30 días, incluso más, según opere el sistema.

Los microorganismos causantes de la descomposición de la materia se dividen en dos grupos:

• Bacterias formadoras de ácidos, estas hidrolizan y fermentan compuestos orgánicos complejos a ácidos simples, de los cuales los mas corrientes son el ácido acético y el ácido propiónico.

• Bacterias formadoras de metano, estas convierten los ácidos formados por las bacterias del primer grupo en gas Metano y CO2.

Las bacterias más importantes de este grupo (las que devoran los ácidos Acético y propiónico) tienen tasas de crecimiento muy lentas y por ello su metabolismo se considera una limitante de proceso.

Tabla 8 Condiciones optimas para el tratamiento anaerobio

Parámetros Intervalos/especies Temperatura optima, ºC

Mesofilico

Termofilico

29-39

49-57 Nutrientes biológicos Nitrógeno y fósforo pH 6.6-7.6

Para el tratamiento de aguas residuales muy cargadas de materia orgánica, cada vez mas popular es el uso de los reactores UASB.

Los reactores UASB (del inglés Upflow Anaerobic Sludge Blanket) son un tipo de bioreactor tubular que operan en régimen continuo y en flujo ascendente, es decir, el afluente entra por la parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal, y sale por la parte superior. Son reactores anaerobios en los que los microorganismos se agrupan formando bio-gránulos.

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Figura 14. Esquema y fotografía de un reactor UASB

El fango granular constituye el corazón de la tecnología UASB. Un fango granular es un agregado de microorganismos formados durante el tratamiento de agua residual en un medio en el que exista un régimen hidráulico constante de flujo ascendente. En ausencia de algún tipo de soporte, las condiciones del tipo de flujo crea un ambiente selectivo en el cual sólo esos organismos capaces de anclarse a lo otros, sobrevive y prolifera. La configuración de los agregados dentro de la bio-película densa y compacta es a lo que se denomina gránulo. Debido a su gran tamaño de partícula (generalmente en el rango de 0.5 a 2 mm de diámetro), los gránulos resisten el lavado del sistema de reacción, permitiendo cargas hidráulicas elevadas. Además, las biopelículas son compactas, permitiendo elevadas concentraciones de microorganismos activos y de este modo poder tratar elevadas cargas volumétricas en los reactores UASB. Un gramo de fango granular (peso seco) puede catalizar la conversión de 0.5 a 1 g de DQO al día. La composición del gránulo está estratificada. En el centro se localizan los agregados de Methanosaeta (principalmente), y otros organismos metanógenos, como Methanothrix y Methanosarcina. En la siguiente capa están localizados organismos productores y consumidores de hidrógeno, en una asociación simbiótica. En la capa superficial se localizan los organismos que realizan las primeras etapas de degradación anaerobia, como los acidógenos y otros organimos consumidores de hidrógeno. Esta estructura está condicionada por la presión parcial de hidrógeno, en un delicado equilibrio que sólo es posible bajo condiciones determinadas.

El proceso UASB se puede aplicar a una amplia variedad de aguas residuales industriales. Al igual que en otros tipos de tratamiento de aguas residuales, en los UASB también son necesarias unas etapas previas de adecuación del afluente antes de ingresarlas al reactor, como por ejemplo, eliminación de aceites y grasas, desarenado, corrección de pH. Tras este tipo de pre-tratamientos, el UASB puede convertir el 70-95% de la materia orgánica biodegradable en una corriente de biogas valorizable. De ahí que sean posibles

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mayores eficiencias mediante el acople de pre- y/o postratamientos adecuados que aumente el tiempo medio de residencia celular, la composición y la resistencia frente a tóxicos del fango.

La tecnología de alta carga se basa en el crecimiento del fango granular y en el separador de tres fases (biogás-líquido-sólido), ha tenido un gran éxito comercial con un gran número de instalaciones en el mundo.

La industria alimentaria mundial es un usuario activo de esta tecnología de tratamiento anaerobio. Aunque también se ha implantado en industrias como la cervecera, destilería, plantas de procesado de la patata, la industria del papel y la celulosa, industria textil, química y farmacéutica.

2.2.3 Tratamiento en Lagunas

El uso de lagunas de estabilización comenzó a introducirse al final de la década de los anos cincuenta en los países de America Latina y el Caribe. En las primeras instalaciones a que hace referencia la literatura se encuentra la laguna de Canas, Guanacaste - Costa Rica (construida en 1958) y las lagunas de Chipre - Panamá.

En la década de los anos 70, el Banco Mundial evidencia su preocupación sobre aspectos de salud por el manejo de excretas y lodos de sistemas individuales de saneamiento. Paralelamente el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), realiza en el Perú uno de los trabajos pioneros en la determinación de parasites en aguas residuales. Mas tarde la Organización Mundial de la Salud, reconociendo la importancia de actualizar criterios sobre el reuso de efluentes, conduce una serie de investigaciones y reuniones de expertos que finalmente terminan en la publicación de las nuevas "Guías de salud para el uso de Aguas Residuales en la Agricultura y Acuicultura".

2.2.3.1 Nomenclatura

Lagunas de estabilización: Describe estanques construidos de tierra, de profundidad reducida (< 5.0 m), diseñados para el tratamiento de aguas residuales por medio de la interacción de la biomasa (algas, bacterias, protozoarios, etc.), la materia orgánica de desecho y otros procesos naturales (submodelos hidráulicos y factores físicos, químicos y meteorológicos). La finalidad de este proceso es entregar un efluente de características múltiples establecidos (DBO, DQO, OD, SS, algas, nutrientes, parasites, enterobacterias, coliformes, etc.).

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Lagunas de oxidación: Termino aplicado en el pasado para implicar la oxidación de la materia orgánica con el oxigeno producido por las algas a través de la fotosíntesis.

Por otro lado, existen varias formas de clasificar las lagunas de estabilización:

a) De acuerdo con el contenido de oxigeno, pueden ser: anaerobia, aerobias y facultativas. Si el oxigeno es suministrado artificialmente con aeración mecánica o aire comprimido se denominan lagunas aireadas.

b) De acuerdo al lugar que ocupan, con relación a otros procesos, las

lagunas pueden clasificarse como primarias o de aguas residuales crudas, secundarias si reciben afluentes de otros procesos de tratamiento y, de maduración si su propósito fundamental es reducir el numero de microorganismos indicadores.

c) De acuerdo con la secuencia de las unidades, pueden clasificarse en

lagunas en serie o en paralelo, pudiendo encontrarse combinaciones de varios tipos. El número de unidades en serie tiene relación primordial con la topografía del terreno y en menor grado con el nivel de calidad requerido en el efluente del sistema. En cambio, el número de lagunas en paralelo tiene relación con otros factores como las etapas de implementación de las unidades, la topografía del terreno y las condiciones de operación y mantenimiento de la estación.

d) De acuerdo a las condiciones de descarga, la laguna de descarga

continua, lagunas de retención completa y lagunas de regulación y descarga controlada. Las unidades de retención completa, llamadas tanbien lagunas terminales, no tienen efluente y el líquido se dispone a través de percolación y evaporación. Las lagunas de descarga controlada son conocidas también como de flujo intermitente, de regulación o de almacenamiento. Las lagunas de regulación, son las ultimas unidades de mas serie y su función básica esta de almacenar el agua residual tratada antes del reuso agrícola.

e) De acuerdo con la función específica pueden clasificarse en: lagunas para la reducción de compuestos orgánicos, lagunas para la reducción de organismos patógenos y lagunas para criterios múltiples de calidad del efluente.

f) Grupo de lagunas airadas, existen 4 tipos de unidades; todos ellos con el propósito fundamental de reducción de compuestos orgánicos:

• Lagunas airadas de mezcla completa o biomasa en suspensión, tienen una alta densidad de energía y la presencia de algas no es

43

aparente.

• Lagunas airadas facultativas, son frecuentes en climas calidos y consiste en un estanque con aeración y una densidad de energía mas baja que la anterior para mantener la biomasa en suspensión parcial. En este tipo de unidad, la producción de oxigeno por fotosíntesis juega un papel muy reducido y todo el oxigeno necesario es abastecido por los aireadores.

• Lagunas facultativa con agitación mecánica, es un estanque del tipo facultativo en el que se ha instalado un mecanismo de mezcla con una baja densidad de energía. En esta situación el oxigeno necesario para la estabilización de la materia orgánica es abastecido vía fotosíntesis.

• Laguna de estabilización airada, en la cual la oxigenación es

principalmente via fotosíntesis, suplementada con difusión de aire comprimido desde el fondo, a través de tuberías y difusores de varios tipos. Como las tuberías de conducción del aire están colocadas en el fondo, no es recomendable permitir la acumulación de lodo, por lo cual se diseñan con cargas bajas, las que las hacen no atractivas para países en desarrollo.

2.2.3.2 Lagunas Anaerobias

Son estanques con profundidades de 2.5 a 5.0 m; reciben cargas orgánicas elevadas, se encuentra ausencia de oxigeno en todos sus niveles. En estas condiciones las lagunas actuaran como un digestor anaeróbico abierto sin mezcla y debido a las altas cargas orgánicas que soportan, el efluente contiene un alto porcentaje de materia orgánica y requiere de otro proceso complementario de tratamiento.

Estas unidades son utilizadas preferentemente para el tratamiento de desechos industriales o desechos domésticos con un elevado aporte industrial. En este sentido, una de las grandes ventajas de las lagunas anaerobias es reducir las concentraciones de compuestos tóxicos o inhibidores presentes.

Los mecanismos de degradación tienen dos fases bien diferenciadas que dependen del desarrollo de dos grupos específicos de bacterias.

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Etapa 1: Fermentacion Acida Lodo crudo + Microorganismos A → Productos

intermedios de degradación

+ nuevos microorganismos A

Complejos orgánicos Substratos Carbohidratos Grasas Proteínas

Formadores de acidos Saproficos Facultativos

Orgánicos simples Acidos orgánicos CO2, H2O

Otros productos intermedios

Etapa 2: Fermentacion de Metano Productos + intermedios de degradacion

Microorganismos B → Productos finales y gas

+ nuevos microorganismos B

Orgánicos simples Acidos orgánicos CO2, H2O

Formadores de metano Anaerobios obligatorios

CH4, CO2, H2S, H2O, otros productos de degradacián

Otros productos finales

Si bien ambas fases están sucediéndose simultáneamente, la primera etapa de fermentación acida es llevada a cabo por organismos formadores de ácidos que atacan las sustancias orgánicas y las transforman en compuestos orgánicos mas simples y ácidos orgánicos. La segunda etapa es llevada a cabo por un grupo de organismos estrictamente anaerobios que utilizan los productos intermedios de la etapa anterior para producir gases como el metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y otros productos de degradación.

De los dos grupos de microorganismos descritos, los formadores de metano son muy sensibles a condiciones ambientales como variaciones de carga, pH y temperatura y la eficiencia del proceso depende de su desarrollo, el mismo que ocurre en poblaciones reducidas debido a que pierden gran cantidad de energía en la producción de metano.

Las lagunas anaerobias pueden ser usadas como una primera etapa en el tratamiento de aguas residuales domesticas e industriales y presentan una serie de factores positivos y negativos que tienen que ser considerados antes de su uso.

Entre las ventajas se mencionan:

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• Bajo costo, en razón de su reducido requisito de área. • Son atractivas para el tratamiento de desechos de altas concentraciones. • Han sido empleadas con éxito en el tratamiento de una variedad de desechos

industriales biodegradables.

Los aspectos desfavorables son:

• El proceso es muy sensible a factores ambientales y operativos como: temperatura, variaciones bruscas de carga y pH, lo cual puede producir periodos de baja eficiencia con un efluentes de calidad pobre.

• La normal acumulación de natas presenta un aspecto poco agradable y condiciones estéticas desfavorables, lo cual normalmente incide en el mantenimiento.

• El efluente del proceso tiene un alto contenido de materia orgánica y calor, lo que hace necesario una siguiente fase de tratamiento.

• La tasa de mortalidad bacteriana es muy reducida en comparación con otras opciones.

• Los malos olores ocasionales y sobre todo en los primeros años de operación.

• Rápida acumulación de sólidos, requiriendo una limpieza de lodos mas frecuentes.

Elementos de diseño de lagunas anaerobias

El diseño anaerobias esta todavía en desarrollo. Los principales parámetros usados en el dimensionamiento son:

• Carga superficial • Carga volumétrica • Profundidad • Eficiencia • Acumulación de sólidos.

El primer criterio de carga orgánica superficial, especifica que la carga de trabajo debe estar muy por encima de los 1,000 kg DBO5/Ha.día

El criterio mas empleado en el dimensionamiento de lagunas anaerobias cs el de carga volumétrica, la que debe ser superior a 100 g DBO5/m3.d. Para el caso de aguas residuales domesticas, se sugiere una carga maxima de 400g DBO5/m3.d. La OMS, recomienda de 100 a 300 g DBO5/m3.d. Para temperatura sobre los 20°C.

46

La profundidad recomendada en la mayoría de los casos esta entre 2.5 y 5.0m

Las eficiencias están en función del periodo de retención (según masa) son:

TR (d)

% Reduction DBO5

1 50 2.5 60 5 70

Otro criterio recomendado es el de intervalos de temperaturas, periodos de retención y eficiencia.

Temperatura (°C)

TR (d) DBO5> (%)

10-15 4-5 30-40 ' 15-20 2-3 40-50 20-25 1-2 50-60 25-30 1-2 60-80 Los sólidos se acumulan principalmente en las unidades primarias y requieren de limpieza después de un cierto periodo de operación. El lodo sedimentado sufre una degradación anaerobia reduciendo los sólidos volátiles en una proporción de por lo menos el 50% y además es sometido a un proceso de espaciamiento. La tasa de acumulación de lodo en el fondo de una laguna anaerobia esta en el intervalo de 0.08 - 0.113 l/Hab.día y para propósitos de diseño se puede tomar el limite superior que equivale a 40 m3/Hab.año.

La profundidad es por lo general suficiente de manera que no es necesario considerar, una profundidad adicional para la acumulación de lodos. En la práctica se considera conveniente efectuar una limpieza cuando la altura de lodos alcanza la mitad de la profundidad. En cases en los cuales se observe que hay una acumulación visible de material de fondo cerca de la entrada de la laguna, se podrá disminuir el periodo entre limpiezas. En número de años de operación entre dos limpiezas consecutivas puede calcularse mediante la siguiente relación:

n = (0.5.V)/(ta.P)

donde n es el numero de años de operación para limpieza, V es el volumen de laguna (m3), ta es la tasa de acumulación de lodos, normalmente 0.04 m3/Hab.año; y P es la población equivalente servida.

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2.2.3.3 Lagunas Aerobias

Son conocidas también como fotosintéticas, son estanques de profundidad reducida (0.3 -0.45 m), lo cual permite la penetración de luz hasta el fondo y diseñados para una máxima producción de algas con cortos períodos de retención. En estas lagunas se mantienen condiciones aerobias a todo nivel y tiempo y la reducción de materia orgánica es efectuada por la acción de organismos aerobios.

En estas lagunas el oxigeno se suministra por aireación natural a través de la superficie y por fotosíntesis de las algas, comunidad biológica presente en los estanques de estabilización es similar a la existente en los sistemas de fangos activados. El oxigeno liberado por las algas en el proceso de fotosíntesis es utilizado por las bacterias en la degradación aerobia de la materia orgánica.

Los nutrientes y el dióxido de carbono liberado en este proceso de degradación los emplean, a su vez, las algas. Esta relación ciclo-simbiótica se ilustra en la figura 15.

Figura 15. Ciclo simbiótico de algas y bacterias en una laguna aeróbica

También se presentan animales superiores tales como los rotíferos y protozoos, cuya principal función consiste en la mejora del efluente. El grupo especifico de algas, animales o especies bacterianas presentes en cualquier zona de un estanque aerobio depende de factores tales como la carga orgánica, el grade de mezclas, pH, los nutrientes, la luz solar y la temperatura. Para el proceso de diseño ver la página 53-54. 2.2.3.4 Lagunas Facultativas

Las características principales de las lagunas facultativas son el comensalismo entre algas y bacterias en el estrato superior y la descomposición anaerobia de los sólidos sedimentados en el fondo. Por consiguiente, su ubicación como unidad de trabamiento en un sistema de

Nuevas algas

Materia orgánica

Bacterias

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lagunas puede ser, como laguna primaria única o como una unidad secundaria después de lagunas anaeróbias o airadas.

Estos son estanques con profundidad entre 1.5 - 2.5 m y su contenido de oxigeno varia de acuerdo a la profundidad y la hora del día. El mecanismo característico de las lagunas facultativas ocurre en el estrato superior y corresponde a una simbiosis o comensalismo de bacterias aerobias y algas. Las bacterias heterotróficas descomponen la materia orgánica produciendo compuestos inorgánicos solubles y dióxido de carbono. La cantidad de oxigeno requerido para esta degradación es suministrada principalmente por el proceso de fotosíntesis. Un esquema simplificado de esta simbiosis entre algas y bacterias esta indicado en la figura 16.

Figura 16. Simbiosis entre algas y bacterias en una laguna facultativa

En un estanque facultativo existen tres zonas:

1. Una zona superficial en la que existen bacterias aerobias y algas en una relación simbiótica.

2. Una zona inferior anaerobia en la que se descomponen activamente los sólidos acumulada por acción de las bacterias anaerobias

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3. Una zona intermedia, que es parcialmente aerobia y anaerobia, en la que descomposición de los residuos orgánicos la llevan a cabo las bacterias facultativas.

Los estanques facultativos, se alimentan con agua residual procedente de un proceso previo de desbaste o con el efluente de un tratamiento primario. Los sólidos de gran tamaño sedimentan para formar una capa de fango anaerobio. Los materiales orgánicos sólidos y coloidales se oxidan por la acción de las bacterias aerobias y facultativas empleando el oxigeno generado por las abundantes algas presentes cerca de la superficie.

El dióxido de carbono, que se produce en el proceso de oxidación orgánica, sirve como fuente de carbono para las algas. La descomposición anaerobia de los sólidos de la capa de fango comparte la producción de compuestos orgánicos disueltos y de gases tales como el CO2, el H2S y el CH4, que o bien se oxidan por las bacterias aerobias, o se liberan a la atmosfera. En la practica, la presencia de oxigeno en la capa superior se consigue por las algas.

Elementos de diseño de lagunas facultativas

Algunos de los criterios generales utilizados para el dimensionamiento de estas unidades son:

I.- El suelo de la laguna, debe ser impermeabilizado, con el objetivo de proteger las aguas subterráneas, para ello debe buscarse un lugar en donde preferentemente predomine un impermeabilizante natural (por ej: sonsocuite), para ahorrar el costo de impermeabilización de la laguna.

2.- En climas calurosos, debe disponerse de 100 m2 de área superficial de laguna por cada 100 personas.

3.- Se recomienda una relación Largo/Ancho menor de 3.

4.- Respetar los valores de carga orgánica y periodo de retención establecidos.

CALCULO:

a) Datos básicos:

- Población contribuyente - Consumo de agua potable - Periodo de diseño - Factor de uso de aguas residuales

50

- Temperatura minima del mes mas frío en el sitio del proyecto - Contribución DBO5 per. capita - Eficiencia de remoción DBO5, según el tipo de laguna.

b) Dimensionamiento:

• Relación DBOafl.

DBOafl. = (l –Efic.)* 100

• Estimación de la constante de reacción (K), en función de la temperatura; para esto se utiliza la siguiente tabla y se escoge el valor que mas se aproxima.

Tabla 9. Constante de reacción K en dependencia de la temperatura

Temperatura °C K (1/día)

15 0.24 20 0.35 30 0.80 35 1.20

• Revisar el periodo de retención: TR = {[DBOafl /DBOefl]-1}*[1/K]

• Calcular el volumen requerido: V = Q*TR

• Área superficial: A = V/H,

donde H es la profundidad según el tipo de laguna y V es el volumen requerido.

• Dimensiones con base en la relación: L/B <3

• Revisión de la carga organica: Lar = {[Qafl/DBO/Área]*0.001} kg/ha/día

51

Donde Qafl es caudal de diseño (gppd) y el A es el área en hectáreas (ha)

• Limite de varga L at = 357.4*(1.085)T-20 kg/ha/día

• Revisión de la carga orgánica Lar < Lat

• Las lagunas secundarias, además de realizar el calculo anterior, se debe revisar la remoción de coliformes, para lo cual se efectúan los siguientes cálculos:

Kb = (0.84)*(1.07)T-20 día -1

• Factor de forma de laguna (d): d= L/B.

El factor de forma debe estar comprendido entre 0.2 y 0.4.

• Factor “a”: a = [1+4*(Kb)*TR*(d)]0.5

donde Kb es la tasa de mortalidad (día-1), TR es periodo de retención (días) y d es el coeficiente de forma.

• Remocion de coliformes (N/No): N/No = {4*a*e*d 0.5/a}

:

Resumen de Elementos de Diseño de Lagunas

El proceso de diseño se basa en las cargas orgánicas y el tiempo de retención hidráulico. Los parámetros típicos se resumen a continuación:

Parámetros Tipo de estanque

Estanque aerobio (baja

carga)a

Estanque aerobio

(alta carga)

Estanque aerobio (de

maduración)

Estanque aerobio-

anaerobio facultativob

Estanque anaerobio

Lagunas aireadas

Régimen de flujo Mezcla intermitent

e

MezclaIntermitent

e

Mezcla intermitent

e

Estrato superfici

al

Mezcla complet

a Tamaño del estanque, ha <4

unidades múltiples

0,20-0,80 0,80-4 unidades múltiples

0,80-4 unidade

s

0,20-0,80

unidade

0,80-4 unidade

s Funcionamientoc En serie o

en paralelo En serie En serie o

en paralelo En serie o

en En serie En serie o

en Tiempo de retención,d 10-40 4-6 5-20 5-30 20-50 3-10

Profundidad, m 0,9-1,2 0,30-0,45 0,9-0,5 1,2-2,4 2,4-4,8 1,8-6,0

PH 6,5-10,5 6,5- i 0,5 6,5-10,5 6,5-8,5 6,5-7,2 6,5-8,0

Intervalo de temperaturas, °C 0-30 5-30 0-30 0-50 6-50 0-30

Temperatura optima, °C 20 20 20 20 30 20

Carga de DBO5d, kg/ha.dia 67- 1 34 90- 1 80 <17 56-200 225-560

53

Conversión de DB05, % 80-95 80-95 60-80 80-95 50-85 80-95

Principales productos de la conversión

Algas, CO2, tejido celular bacteriano

Algas, CO,, tejido celular bacteriano

Algas, CO2, tejido celular bacteriano,

Algas, CO2, CH4, tejido

celular

C02, CH4 tejido celular

CO2tejido

celular Concentración de algas, mg/l 40-100 100-260 5-10 5-20 0-5

Sólidos suspendidos en el afluentee, mg/l

80-J40 150-300 10-30 40-60 80-160 80-250

a Estanques aerobios convencionales proyectados para maximizar la producción de oxigeno mas que la cantidad de algas. b Los estanques incluyen un sistema de aireación adicional. En estanques sin aireación adicional, las cargas de DBO típicas son del orden de una tercera parte de las indicadas.

C Depende de las condiciones climáticas. d Valores típicos. En muchos lugares se han empleado valores muy superiores. Los valores de las cargas suelen venir impuestos por las agencias reguladoras. e Incluye algas, microorganismos y sólidos suspendidos residuales. Los valores se basan en una DBO soluble del afluente de 200 mg/l y excepto en el caso de los estanques aerobios, una concentración de sólidos suspendidos de 200 mg/l.